• 态密度
– 在能带中，能量E附近单位能量间隔内的量子 态数
g(E) dZ/dE
在量子力学中，微观粒子的运动状态称为量子态
费米－狄拉克统计分布规律
• 温度为T（绝对温度）的热平衡态下，半导体中电子占据能量为E
的量子态的几率是
f (E)
1
exp( E EF ) 1
kT
– k是玻尔兹曼常数，EF是一个与掺杂有关的常数，称为费米能级。 – 当E-EF>>kT时，f（E）=0，说明高于EF几个kT以上的能级都是空的；而当E-EF<<kT
• 平均自由时间愈长，或者说单位时间内遭受散射的次数愈少， 载流子的迁 移率愈高；电子和空穴的迁移率是不同的，因为它们的平均自由时间和有 效质量不同。
Hall效应
• 当有一方向与电流垂直的磁场作用于一有限半导体时， 则在半导体的两侧产生一横向电势差，其方向同时垂直 于电流和磁场，这种现象称为半导体的Hall效应。
简化能带图
1.3 半导体中的载流子
• 导带中的电子和价带中的空穴统称为载流子， 是在电场作用下能作定向运动的带电粒子。
满带
E
当电子从原来状态转移 到另一状态时，另一电子 必作相反的转移。没有额 外的定向运动。满带中电 子不能形成电流。
半（不）满带
E
半满带的电子可在外 场作用下跃迁到高一 级的能级形成电流。
能带结构：
(“施主能级”)
空带 施主能级 施主能级与上
空带下能级的
Eg
能级间隔称“
ED 施主杂质电离
满带
能”( ED )
导电机制：
空带
Eg
满带
施主能级
这种杂质可提 供导电电子故
ED 称为施主杂质
由于 ED 较小,施主能级中的电子很容易激发到
空带而在施主能级上留下不可移动的空穴.此称 “杂质激发”,当然也存在本征激发.
Ge
+4 +4 +4 +4 +4
AS
+4 +4 +4 ++54 +4
AS
+4 ++54 +4 +4 +4
掺入AS以后，五个
价电子中，有四个电子 与周围的Ge组成共价键 晶体，还多余一个电子， 此电子处于特殊的能级。
理论证明:掺入这种
+4 +4 +4 +4 +4
杂质后电子处于靠近空
带下沿处的一个能级中
导电机制：
空带
施主能级
Eg
满带
这种杂质可提 供导电电子故
ED 称为施主杂质
总之,跃入空带中的电子数等于满带及施主 能级中的空穴数,由于施主能级中的空穴不能移 动,故在常温下,能导电的空穴数远小于电子数, 导电作用主要靠跃入空带中的电子.（多数载流 子）
故n型半导体又称电子型半导体
1.4 态密度与费米能级
掺杂半导体能带图
本征半导体的费米能级叫本征费米能级 N型半导体的费米能级在本征费米能级上面，随着掺杂浓度ND的增加， 费米能级更加靠近导带底 ；p型半导体费米能级靠近价带顶
1.5 载流子的传输
• 载流子输运类型：漂移、扩散和产生-复合 • 载流子的扩散
– 由于浓度差而产生的，浓度高的向浓度低的方向扩散
– 单晶：整个晶体由单一的晶格连续组成。 – 多晶：晶体由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成
• 非晶：固体中存在许多小区域，每个小区域的原子排列不同于其 它小区域的原子排列
• 硅晶体是金刚石结构, 均为四面体结构，并向空间无限伸展成空 间网状结构。
按照构成固体的粒子在空间的排列情况，可以讲固体分为：
• 漂移运动：由电场作用而产生的、沿电场力方向的运动（电子和空穴漂移运 动方向相反）。
• 漂移速度：定向运动的速度。 • 漂移电流：载流子的漂移运动所引起的电流。
载流子的漂移迁移率（μ）
• 指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在 电场作用下运动速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越大；运动得慢 ，迁移率小。 单位是cm2／V·s
能带论
•在一般的原子中，内层电子的能级是被 电子填满的。当原子组成晶体后，与这 些原子的内层电子能级相对应的那些能 带也是被电子所填满的。其中能级较高 的被电子填满的能带称为价带，价带以 上的能带未被填满，称为导带，导带和 价带间的能隙叫禁带
原子能级分裂成能带的示意图
电
子
Ec
能
量
导带
Eg=带隙
Ev 价带
第一章 半导体物理基础
1.1 半导体结构 1.2 半导体能带模型 1.3 半导体中的载流子 1.4 态密度与费米能级
1.5 载流子的传输 1.6 PN结 1.7 金属—半导体接触 1.8 MOS FET器件基础
1.1 半导体结构
• 一切晶体，不论外形如何，其内部质点（原子、离子、离子团
或分子）都是有规律排列的。即晶体内部相同质点在三维空间均 呈周期性重复。可分成单晶体和多晶体
• 漂移：带电粒子在外电场作用下的运动
载流子热运动示意图
外电场作用下电子的加电场作用时 – 载流子热运动是无规则的，运动速度各向同性，不引起宏观迁移，从而不 会产生电流。
• 外加电场作用时 – 载流子沿电场方向的速度分量比其它方向大，将会引起载流子的宏观迁移 ，从而形成电流。
1. 本征半导体
---不含杂质的半导体
导电机制： （本征导电）
E
-e -e
Ie
-e -e
空
穴 空带
电
本征激发 流
禁带
满带
IP
本征导电中的载流子是电子和空穴
2. 杂质半导体 ---含有少量杂质的半导体 n型半导体（施主杂质半导体） 在纯净半导中掺入少量可提供导电电子的
杂质所形成的半导体。
例在四价硅（Si）元素半导体中掺入五价砷（AS） 所形成的半导体
时，f（E）＝1，说明低于EF几个kT以下的能级被电子填满。特别是在绝对零度时 ，E<EF的能级全被填满，E>EF的能级全是空的, EF是电子所占据的最高量子态的能 量。
– EF反应了半导体中被电子填满了的能级水平，费米能级的物理意义是，该能级上 的一个状态被电子占据的几率是1/2。费米能级是理论上引入的虚构的能级
硅的晶体结构
• 硅晶体中任何一原子都有4个最近邻的原子与之形成共 价键。一个原子处在正四面体的中心，其它四个与它共 价的原子位于四面体的顶点，这种四面体称为共价四面 体。
1.2 半导体能带模型
E
2p
禁带
能带
禁带
2s
1s
o
原子间距
当有N个相同的自由原子时，每个原子内的电子有相同的分立的能 级，它们是N重简并的，当这N个原子逐渐靠近时，原来束缚在单 原子的中的电子，不能在一个能级上存在（违反泡利不相容原则） 从而只能分裂成N个非常靠近的能级（10-22ev）